background image

1

1

Materiały internetowe 

wykorzystane do 

przygotowania wykładu

• http://depts.washington.edu/chemcrs/

bulkdisk/chem152U_win05/handout_Le

cture_11.pdf

• http://academic.pgcc.edu/~ssinex/E_ce

lls.ppt

• http://www6.ufrgs.br/ct/ntcm/graduac

ao/ENG06631/25ele.ppt

background image

2

2

Zasada działania ogniwa 

Zasada działania ogniwa 

paliwowego

paliwowego

energia elektryczna

woda

CO

2

?

tlen z powietrza

paliwo

 H

2

 , CH

3

OH

OGNIWO

PALIWOWE

background image

3

3

Ogniwo

Elektrolit

Temp. pracy ( C)

PEM

Stały polimer organiczny

(kwas polinadfluorosulfonowy)

60-100

AFC

Wodny roztwór wodorotlenku

potasu

90-100

PAFC

Roztwór kwasu fosforowego

175-200

MCFC

Roztwór węglanów litu, sodu

i/lub potasu

600-1000

SOFC

Tlenek cyrkonu stabilizowany

itrem

600-1000

Rodzaje ogniw paliwowych

Rodzaje ogniw paliwowych

background image

4

4

Ogniwo paliwowe PEM 

Ogniwo paliwowe PEM 

nadmiarowe 

paliwo

woda i ciepło

paliwo

powietrze

H

2

O

2

H

2

O

H

+

H

+

H

+

H

+

e

e

e

anoda           elektrolit            katoda

2H

2

 =  4H

+

 + 4e

4H

+

 + O

2

 +4e = 2H

2

O

background image

5

5

Membrana polimerowa 

Membrana polimerowa 

z porowatymi elektrodami

z porowatymi elektrodami

ścieżka przewodzenia

jonów wodorowych

ścieżka przewodzenia

elektronów

ścieżka dostępu gazu 
do

powierzchni 
katalizatora

platyna

węgiel

membrana

polimerowa

background image

6

6

Przekrój zespołu 

Przekrój zespołu 

elektroda - membrana

elektroda - membrana

warstwa zewnętrzna

warstwa zewnętrzna

zespół

membrana - elektrody

ścieżki dostępu gazu do 

elektrody

elektrody

membrana

polimerow

a

background image

7

7

Pojedyncze ogniwo paliwowe PEM

Pojedyncze ogniwo paliwowe PEM

kolektor prądu 

anodowego

kolektor prądu 

katodowego

wlot 

wodoru

powietrze 

i woda

wlot 

powietrza

zewnętrzna warstwa 

anodowa

zewnętrzna 

warstwa katodowa

wylot 

wodoru

ZEM

ZEM = zespół elektrody - membrana

e

background image

8

8

Ogniwo paliwowe z polimerową 

Ogniwo paliwowe z polimerową 

membraną protonowymienną

membraną protonowymienną

• silniki elektryczne
• w pojazdach
• badania kosmiczne
• mobilne generatory 

elektryczności

• elektrociepłownie

• niska temperatura pracy (60-

100°C)

• wysoka sprawność (80%)
• brak emisji zanieczyszczeń
• łatwość łączenia w baterie o 

mocy od kilku watów do 

kilkunastu megawatów

ZALETY

ZALETY

ZASTOSOWANIA

ZASTOSOWANIA

WADY: 

WADY: 

- wysoka cena

                - wysoka czystość wodoru

background image

9

9

Ogniwo zasilane metanem

Anoda:

CH

4

  +  2H

2

O  =  CO

2

  +  8H

+

  +  8e

Katoda:

    2O

2

  +  8H

+

  +  8e  =  4H

2

O

Sumarycznie:

      CH

4

  +  2O

2

  =  CO

2

  +  2H

2

O

background image

10

10

Zadanie: Ogniwo składa się z elektrody cynowej 

zanurzonej w roztworze SnCl

2

 o stężeniu 0.100 

mol/dm

3

, oraz elektrody platynowej zanurzonej w 

roztworze o pH = 4.00 i omywanej gazowym 

wodorem pod ciśnieniem 101 kPa. Ile wynosi SEM 

tego ogniwa?. Napisz reakcje elektrodowe, 

sumaryczną reakcję i schemat ogniwa

.

background image

11

11

Elektrochemia

Ogniwa galwaniczne (G< 0)

• samorzutna reakcja chemiczna generuje różnicę 

potencjałów

Ogniwa elektrolityczne (G> 

0)         

różnica potencjałów wymusza 

reakcje, które nie mogą przebiegać samorzutnie

background image

12

12

Elektroliza

• W procesie elektrolizy energia 

elektryczna, doprowadzona z 

zewnętrznego źródła prądu stałego, 

wymusza reakcję chemiczną, która nie 

przebiega samorzutnie

• Np. rozkład wody: 2H

2

O =2H

2

+O

2

• lub rozkład NaCl:     2NaCl=2Na+Cl

2

• W procesie elektrolizy anoda jest 

dodatnia a  katoda ujemna!

• W ogniwie jest odwrotnie !

background image

13

13

Porównanie ogniwa 

galwanicznego i 

elektrolitycznego

Elektroda

Typ ogniwa

G

E

nazwa

proces

znak

galwaniczne

0

0

anoda

utlenianie

-  (minus)

galwaniczne

0

0

katoda

redukcja

+ (plus)

elektrolityczne

0

0

anoda

utlenianie

+ (plus)

elektrolityczne

0

0

katoda

redukcja

-  (minus)

background image

14

14

background image

15

15

Ogniwo galwaniczne może 

zasilać ogniwo 

elektrolityczne

background image

16

16

Potencjały standardowe

Wzrost 
własności 
utleniającyc
h

Wzrost 
własności  
redukujących

background image

17

17

Standardowe ogniwo 

elektrolityczne.  Zewnętrzne 

źródło napięcia wymusza 

reakcję odwrotną

background image

18

18

Elektrolityczne 

pokrywanie srebrem

background image

19

19

Elektroliza wody

background image

20

20

Elektroliza:  rozważmy elektrolizę 

roztworu będącego mieszaniną CuSO

4

 i 

NaCl, których stężenia wynoszą 

1mol/dm

3

Możliwe reakcje utlenienia:

2Cl

(aq) = Cl

2

(g) + 2e

 

E° = 1.358 V

2SO

4

2–

(aq) = S

2

O

8

2–

(aq) + 2e

E° = 2.01 V

2H

2

O = 4H

+

(aq) + O

2

(g) + 4e

E° = 0.82 V 

(zjawisko nadnapięcia powoduje,że utleniania 

wody wynosi 1.4  V)

    Możliwe reakcje redukcji:

Na

+

(aq) + e

 = Na(s)

E° = –2.713 V

Cu

2+

(aq) + 2e

 = Cu(s) E° = +0.337 V

2H

2

O + 2e

 = H

2

(g) + 2OH

(aq)

E° = -0.42 

V

(zjawisko nadnapięcia powoduje,że redukcji 

wody wynosi -0.8 do-1.0 V)

Możliwe reakcje utlenienia:

2Cl

(aq) = Cl

2

(g) + 2e

 

E° = 1.358 V

2SO

4

2–

(aq) = S

2

O

8

2–

(aq) + 2e

E° = 2.01 V

2H

2

O = 4H

+

(aq) + O

2

(g) + 4e

E° = 0.82 V 

(zjawisko nadnapięcia powoduje,że utleniania 

wody wynosi 1.4  V)

    Możliwe reakcje redukcji:

Na

+

(aq) + e

 = Na(s)

E° = –2.713 V

Cu

2+

(aq) + 2e

 = Cu(s) E° = +0.337 V

2H

2

O + 2e

 = H

2

(g) + 2OH

(aq)

E° = -0.42 

V

(zjawisko nadnapięcia powoduje,że redukcji 

wody wynosi -0.8 do-1.0 V)

Chcielibyśmy otrzymywać O

2

(g) i Cu(s).

Chcielibyśmy otrzymywać O

2

(g) i Cu(s).

background image

21

21

Elektroliza:  rozważmy elektrolizę 

roztworu będącego mieszaniną CuSO

4

 i 

NaCl, których stężenia wynoszą 

1mol/dm

3

• Chcielibyśmy otrzymywać O

2

(g) i Cu(s).

• Ze względu na nadnapięcie potencjał 

otrzymywania  O

2

(g) wynosi ok. 1.5 V

• W rezultacie będziemy otrzymywać Cl

2

(g) i Cu(s).

Anoda, utlenianie: 2Cl

(aq) = Cl

2

(g) + 2e

 

E°

Cl2/Cl-

 = 1.358 V

• katoda, redukcja: Cu

2+

(aq) + 2e

 : Cu(s)  E° = 

+0.337 V

• reakcja sumaryczna: Cu

2+

 + 2 Cl

-

 = Cu(s) + Cl

2

(g)  

= –1.021 V

• Przyłożone napięcie musi wynosić co najmniej 

+1.021 V aby spowodować zajście reakcji. 

background image

22

22

Przewidywanie produktów 

elektrolizy stopionych soli 

NaBr i MgCl

2

• Możliwe reakcje redukcji
• a) Na

+ e = Na   E

= -2.71 V

• b) Mg

2+

 +2e = Mg    E

= -2.37 V

• Możliwe reakcje utlenienia
• a)2 Br

= Br

2

 + 2e  E

= 1.07 V

• b) 2 Cl

-

 = Cl

2

 + 2e      E

= 1.37 V

Jony Br

-

 są silniejszym 

reduktorem niż jony Cl

-

, zajdzie 

więc reakcja

Mg

2+

 + 2 Br

= Mg + Br

2

E

cell

 = -2.37-1.07 = -3.44V

background image

23

23

Ogólna reguła elektrolizy

• Jeżeli elektrolizie poddajemy kilka kationów o potencjałach K

1

, K

2

 i K

3

  

i anionów o potencjałach wydzielania A

1

, A

2

 i A

3

 :

• ---|-----|-----|--------------|-----|-----|---  potencjał wydzielania, V   
•     K

1

     K

2

     K

3

                   A

1

     A

2

     A

3

         

           na katodzie 

na anodzie

wydzieli się K

3

wydzieli się A

1

Wydzielają się więc kationy K

3

 i aniony A

1

, tj. jony najbliżej 

siebie położone.

background image

24

24

Produkty elektrolizy   

CuSO

4

 

a) Elektrody platynowe, 

pH = 0,0 

Katoda :

Cu

2+

  +  2e  =  Cu

   E

o

  =  +0,34 V

2H

+

  +  2e   =  H

2

   E

o

  =  0,00 V  (pH = 0,0)

Anoda :

4OH

= O

2

 + 2H

2

O + 4e  E

o

 = +1,23 V (pH = 0,0)

2SO

4

2-

  =  S

2

O

8

2-

  +  2e

 E

o

  =  +2,00 V

Produktami  procesu  elektrolizy  będą  więc
miedź  metaliczna  (katoda)  i  tlen  gazowy
(anoda)

background image

25

25

Produkty elektrolizy   

CuSO

4

 

b) Elektrody miedziane

Katoda :

Cu

2+

  +  2e  =  Cu

Anoda :

Cu  =  Cu

2+

  +  2e

Miedź  przechodzić  będzie  z  anody  do

roztworu  (jako  Cu

2+

)  a następnie  osadzać

się będzie na katodzie.

Proces  ten  zwany  elektrorafinacją 

wykorzystywany  jest  do  oczyszczania
miedzi (z  99,0  do  99,96 %  Cu ).

background image

26

26

Produkty elektrolizy 

wodnego roztworu NaCl

• Możliwe reakcje utlenienia:

• 2Cl

(aq) = Cl

2

(g) + 2e

 

E° = 1.358 

V

• 2H

2

O = 4H

+

(aq) + O

2

(g) + 4e

E° = 0.82 V 

(zjawisko nadnapięcia powoduje, że utleniania 

wody wynosi 1.5  V)

•     Możliwe reakcje redukcji:

• Na

+

(aq) + e

 = Na(s)

E° = –2.713 V

• 2H

2

O + 2e

 = H

2

(g) + 2OH

(aq)

 E° = -0.42 V

• (zjawisko nadnapięcia powoduje,że redukcji 

wody wynosi -0.8 do-1.0 V)

E

cell

 = -1-1.358 = -4.358V

background image

27

27

+

-

batteria

e

-

e

-

NaCl (l)

(-)

(+)

katoda

anoda

Elektroliza stopionego NaCl

Na

+

Cl

-

Cl

-

Cl

-

Na

+

Na

+

Na

 + 

 e

-

  Na

2Cl

-

  Cl

2

  +  2

e

-

Kationy 

migrują  do 

(-) 

elektrody

Aniony 

migrują do 

(+) 

elektrody

background image

28

28

Elektroliza stopionego 

NaCl

katoda 

(-)

REDUkcja

 Na

+

  + 

 e

-

  Na

anoda 

(+)

utlenianie

2Cl

-

  Cl

2

  +  2

e

-

reakcja sumaryczna

2Na

+

   +   2Cl

-

    2Na   +   Cl

2

X 2

background image

29

29

produkcja metalicznego 

aluminium

background image

30

30

produkcja metalicznego 

aluminium

• Elektrolit:  stopiony Al

2

O

3

  z  Na

3

AlF

6

 

•  ( 1000 

o

C)

• Katoda: aluminium
• Anoda: pręty grafitowe

• Reakcje:
• Katoda: 2Al

3+

  +  6e  =  2Al             

Anoda: 3O

2-

   =  3/2 O

2

  +  6e

background image

31

31

Prawa Faradaya

• I prawo Faradaya – podaje zależność masy 

substancji (m ) osadzanej na elektrodzie od 

natężenia prądu (I) i czasu trwania procesu 

osadzania (elektrolizy):

• m = k . I . t
• k - równoważnik elektrochemiczny, [w SI: kg/C]
• I - natężenie prądu, [A]
• t - czas, [sek]
• I prawo Faradaya – masa substancji wydzielonej na 

elektrodzie jest proporcjonalna do iloczynu 

natężenia prądu i czasu trwania elektrolizy, czyli do 

ładunku Q

• Q = I . t
• m = k . Q
• stąd: jeśli Q = 1 C to masa substancji wydzielonej 

równa się współczynnikowi k

background image

32

32

Prawa Faradaya

• II prawo Faradaya – masy różnych substancji wydzielone przez 

jednakową ilość elektryczności na elektrodzie są 

proporcjonalne do równoważników chemicznych tych 

substancji.

• Równoważnik chemiczny, G: mol podzielony przez jego 

wartościowość (n).

• STAŁA FARADAYA, F: ilość elektryczności potrzebna do 

wydzielenia gramorównoważnika dowolnej substancji.

• F = 96 500 C (1 mol ładunków elementarnych=N*1,602189*10

-

19

• k = M/F n
• II prawo Faradaya : m = (M/nF)It
• G dla Cu = MCu/2, Na = MNa/1, Al = MAl /3

background image

33

33

Prawa Faradaya

D o   w y d z i e l e n i a   n a   k a t o d z i e   o d p o w i e d n i o
s r e b r a ,   m i e d z i   i   a l u m i n i u m ,   w   i l oś c i a c h
s o b i e   r ó w n o w aż n y c h ,   t j . :

Al

3

26,98

  

  

Cu

2

63,55

   

 

Ag

1

107,87

k o n i e c z n a  

j e s t  

t a k a  

s a m a  

i l oś ć

e l e k t r y c z n oś c i ,
  t j .   9 6 4 8 5   C

background image

34

34

Ogniwo galwaniczne i 

elektrochemiczne

Podczas pierwszego ładowania akumulatora na anodzie zachodzi reakcja ołowiu z 
wodą, w skutek której powstaje dwutlenek ołowiu:
 

A (+)

Pb + 2 H

2

O  →  PbO

2

 + 4 H

+

 + 4e

-

 
Elektroda pokrywa się stopniowo brunatnym osadem dwutlenku ołowiu. Obfite 
wydzielanie się gazu na anodzie, po pokryciu osadem całej jej powierzchni jest oznaką 
naładowania akumulatora:
 

A (+)

2 H

2

O  →  O

2

↑ + 4 H

+

 + 4e

-

 
W tym samym czasie na katodzie redukują się kationy wodorowe:
 

K (-)

4 H

+

 + 4e

-

  →  2 H

2

background image

35

35

Podczas pobierania prądu z ogniwa, ołowiana anoda reaguje z kwasem siarkowym, 
tworząc osad PbSO

4

. Powstają także dwa protony i 2 elektrony:

 

A (-)

Pb + H

2

SO

4

   →  PbSO

4

 + 2 H

+

 + 2e

-

 
Na katodzie w miejsce dwutlenku ołowiu wytrąca się osad siarczan ołowiu oraz powstaje 
woda, po ówczesnej redukcji wodoru oraz reakcji kwasu siarkowego z dwutlenkiem 
ołowiu:
 

K(+)

PbO

2

 + H

2

SO

 + 2 H

+

 + 2e

 →  PbSO

4

 + 2 H

2

O

 
W wyniku pracy ogniwa gęstość elektrolitu zmniejsza się, ponieważ zużywany jest kwas 
siarkowy.  Podczas  pracy  ogniwa  dodatnia  podczas  ładowania  anoda  staje  się  dodatnią 
katodą, ponieważ jak była już mowa wcześniej, biegną na niej kolejno procesy utleniania 
i  redukcji.  Zwiększający  się  osad  siarczanu  ołowiu  zwiększa  opór  wewnętrzny  ogniwa, 
zmniejszając jego siłę elektromotoryczną oraz napięcie na biegunach.

background image

36

36

Podczas ponownego ładowania akumulatora zachodzące procesy  wyglądają nieco 
inaczej niż pierwotnie:
 

A (+)

PbSO

+ 2 H

2

O  →  PbO

 + H

2

SO

4

 + 2 H

+

 + 2e

-

 

K (-)

PbSO

4

 + 2 H

+

 + 2e

-

  →  Pb + H

2

SO

4

 
Podczas ładowania gęstość elektrolitu rośnie. Pełne naładowanie akumulatora wiąże 
się z intensywnym wydzielaniem gazów, związanym z elektrolizą wody.

background image

37

37

background image

38

38

Korozja

Jest to proces niszczenia materiałów, najczęściej 

metali, wskutek chemicznego lub 

elektrochemicznego

oddziaływania środowiska

• Korozja chemiczna metalu występuje wtedy, gdy reakcji nie 

towarzyszy przepływ ładunku elektrycznego przez metal lub 

elektrolit. Przykładem takiej korozji sa reakcje metali z aktywnymi 

gazami, np.. Tlenem, związkami siarki, lub fluorowcami.

• Produkt korozji żelaza i jego stopów to rdza. Sama rdza nie jest ściśle 

określoną substancją, lecz mieszaniną różnorakich związków żelaza, 

tlenu i wodoru. Główny składnik rdzy stanowi związek o wzorze 

sumarycznym FeO(OH), zawierający żelazo na stopniu utlenienia +3. 

Oprócz tego w skład rdzy wchodzi woda, tlenki lub wodorotlenki 

żelaza o nieco innym składzie, a także trochę węglanów żelaza.

• Warunkiem koniecznym do powstania rdzy jest obecność wody i 

tlenu. Pozostające w kontakcie z wodą i tlenem atmosferycznym 

żelazo przechodzi powoli w trudno rozpuszczalny wodorotlenek 

żelaza (II)

•     2 Fe + 2 H

2

 O + O

2

 = 2 Fe

2+

 + 4 OH

-

 = 2 Fe(OH)

2

• Wodorotlenek żelaza (II) utlenia się dalej do wodorotlenku żelaza 

(III). Wodorotlenki przechodzą stopniowo w tlenki lub węglany.

• Szacuje się, że niemal połowa wyprodukowanej w latach 1890-1923 

stali (ok. 1800 mln ton) uległa zniszczeniu przez korozję

.

background image

39

39

Korozja

Jest to proces niszczenia materiałów, najczęściej 

metali, wskutek chemicznego lub 

elektrochemicznego

oddziaływania środowiska

• W procesie korozji elektrochemicznej 

tworzą się ogniwa galwaniczne i 

wskutek tego następuje przepływ 

elektronów przez granicę metal - 

elektrolit

background image

40

40

Korozja elektrochemiczna 

-stężeniowe ogniwo 

tlenowe

Anoda:                               Katoda:

• Fe  =  Fe

2+

  +  2e

             O

2

 + 2H

2

O +4e = 4OH

-

• Fe

2+

  +  2OH

-

  =  Fe(OH)

2

• Fe(OH)

2                 

Fe(OH)

3

• 2Fe(OH)

3

               Fe

2

O

3H

2

O

O

2

background image

41

41

Korozja elektrochemiczna 

-ogniwo stykowe

• Anoda: 
• Fe = Fe

2+

 + 2e

• Katoda:
• 2H

+

 + 2e = H

2

 

• lub
• 1/2 O

2

+2e +H

2

O = 

2OH

-

• sumaryczna reakcja:
• Fe + 2H

+

 = Fe

2+

 + H

2

background image

42

42

Korozja elektrochemiczna 

-mikroogniwa stykowe

• Na powierzchni 

stopów o 

strukturze 

wielofazowej 

tworzą się 

mikroogniwa 

stykowe. Ziarna 

kryształów 

zachowują się jak 

liczne elektrody 

ogniwa 

galwanicznego.

background image

43

43

Korozja elektrochemiczna 

-ogniwa naprężeniowe, 

korozja na granicy ziaren

• Materiały chemicznie jednorodne, wykazujące naprężenia 

mechaniczne, defekty struktury i granice ziaren. W takim 

obszarze, wykazującym nadmiar energii metal wykazuje 

obniżony potencjał elektrodowy i zachowuje się jak anoda 

względem pozostałej części metalu.

background image

44

44

Ochrona przed korozją

• Powłoki  organiczne  -  farby,  lakiery, 

powłoki z tworzyw

•  Powłoki ceramiczne  -  emalie
• Powłoki metaliczne
• a) z metalu mniej szlachetnego Fe/Zn
• b)  z  metalu  bardziej  szlachetnego 

Fe/Cu

background image

45

45

Ochrona przed korozją

• Utlenia się metal mniej szlachetny czyli 

cynk! (a):  Zn  = Zn

2+

  + 2e

• b) – utlenia się żelazo!  Fe  =  Fe

2+

  +  2e

background image

46

46

Ochrona przed korozją

• a) Połączenie   z   płytką   z   metalu   mniej   szlachetnego (np. Zn, Mg)
• b) Ochrona  katodowa  -  obiekt  chroniony  łączymy  z ujemnym  biegunem 

słabego źródła napięcia prądu  stałego - staje się on katodą


Document Outline